Design-against-Failure - Lecture 1 - Introduzione A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.Bonora
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Design-against-Failure
Lecture 1 - Introduzione
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.Bonora
Progettare per evitare disastri.
• L’ingegneria è quella branca della scienza e
della tecnologia impiegata per soddisfare i
bisogni e le richieste della società.
• Tali richieste comprendono la realizzazione di
edifici, strumenti per la mobilità, dispositivi per
la comunicazione, e, in generale, macchine per
lo svolgimento di specifiche funzioni o attività.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.Bonora
Progettare per evitare disastri.
• L’ideazione di nuove soluzioni tecnologiche in
grado di dare risposta alle sempre nuove
richieste della società e del mercato
rappresenta il punto di equilibrio tra efficienza
della soluzione proposta e sostenibilità
economica.
• Questa necessità può, in alcuni casi, indurre
alla ricerca di scorciatoie nel processo
decisionale e di progettazione riducendo i costi
associati alla costruzione ed alla produzione.
• Occasionalmente queste scorciatoie posso
portare a cedimenti catastrofici inattesi.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.Bonora
Progettare per evitare disastri.
• La progettazione:
• un processo trial-and-error
• uso di strumenti analitici validati da
sperimentazione
• Utilizzo delle informazioni provenienti dagli
insuccessi precedenti o dai «disastri
famigerati»
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Disastri famigerati
• Titanic (1912) – RMS Titanic era una nave passeggeri
britannica che affondò dopo aver colpito un iceberg il
suo viaggio inaugurale da Southampton (Regno Unito)
a New York, nell'aprile del 1912. Titanic era al tempo la
nave più grande mai costruita ed era considerato
inaffondabile. La tragedia costata la vita di oltre 1.500
persone.
• Ma fu l'affondamento del Titanic, un errore di
ingegneria? Molti fattori hanno contribuito alla
catastrofe:
• la rimozione di metà della quantità di scialuppe di
salvataggio
• rivetti di scarsa qualità
• i 16 compartimenti stagni che mantenevano la
nave a galla, non erano sigillati ma collegati.
Questo ha permesso l'acqua di fluire da un
compartimento all’altro e affondare la barca
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• Disastro del Hindenburg (1937) – il LZ
129 Hindenburg era un dirigibile tedesco
passeggeri che si incendiò e schiantò al
suolo durante il tentativo di ancorare nel
New Jersey. Nel disastro morirono 36
persone. Decenni di ricerche e test hanno
dimostrato che il dirigibile prese fuoco a
causa di una scarica elettrostatica che
incendiò i 200 milioni id litri di idrogeno. Il
disastro del Hindenburg segnò la fine dei
dirigibili del passeggero commerciale
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.Bonora
Tacoma Narrows Bridge collapse (1940) –
il primo Tacoma Narrows Bridge era un
ponte sospeso nello stato di Washington
inaugurato nel 1940 ed è andato distrutto
nello stesso anno. Al momento della sua
costruzione, il ponte era il 3° ponte sospeso
più lungo del mondo a campata unica. Il
ponte era noto per oscillare verticalmente in
condizioni di vento e il 7 novembre 1940,
sotto venti di 64 km/h è crollato. Il crollo è
stato catturato in video ed ebbe un notevole
impatto sulla scienza e ingegneria. La causa
del guasto era il flutter aeroelastico –
un'instabilità dinamica di una struttura
elastica.
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• Cleveland East Ohio Gas Explosions (1944). Il
20 ottobre 1944, un serbatoio di
stoccaggio di gas naturale liquefatto,
collocato sopra terra (pratica comune a
quel tempo ), comincio a perdere. Il gas
liquefatto rilasciato nelle linee di scarico,
mescolato con aria ed esalazioni, si
incendiò provocando una serie di incendi
ed esplosioni che uccisero 130 persone a
Cleveland, Ohio.
• L'evento ebbe un impatto significativo sul
settore del gas naturale, che
successivamente impose l’interramento
dei serbatoi.
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Navy Classe Liberty (1943). Le Navi Liberty
furono le prime ad essere prodotto su scala
industriale sostituendo la rivettatura con la
saldatura. Durante la seconda guerra
mondiale, ci furono quasi 1.500 casi di
fratture fragili significative. Dodici navi, tra cui
tre delle 2.710 Liberty realizzate, si
spezzarono in due senza preavviso ed in
acque calme. Tra esse la SS John P. Gaines,
che affondò il 24 novembre 1943 con la
perdita di 10 vite. La causa fu l’impiego di
operai inesperti e nuove tecniche di
saldatura.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.Bonora
Hyatt Regency Hotel passerella Collapse (1981)-
il 17 luglio 1981, due passerelle verticali
crollarono all'Hyatt Regency a Kansas City,
nella hall dell'hotel. 114 persone furono
uccise dallo schianto. Furono rilevati difetti
gravi nella progettazione delle passerelle. Gli
ingegneri che avevano approvato i disegni
esecutivi delle passerelle furono condannati
per cattiva condotta e grave negligenza e
persero le loro licenze di ingegneri.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraSpace Shuttle Challenger avvenuta (1986)
Il 28 gennaio 1986 lo Space Shuttle
Challenger è esploso 73 secondi dopo il
decollo, uccidendo tutti i 7 astronauti a
bordo. L'inchiesta ha dimostrato che le forze
aerodinamiche avevo fatto a pezzi la navetta,
dopo un cedimento strutturale iniziato con la
rottura di una guarnizione al decollo. L'intero
evento fu trasmesso in diretta su TV.
Il guasto risultò essere prevedibile e
prevenibile. La criticità del componente era
stata messa in risalto sin dal 1971.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraDisastro di Chernobyl (1986) – Il 26 aprile
1986, durante una serie di stress test dei
sistemi, vi fu un aumento di potenza
inaspettata che diede inizio una catena di
eventi che di provocarono esplosioni e fuoco
nel reattore IV con rilascio di radioattività
nell'atmosfera su una vasta area
dell’Europa.
Diverse aree intorno la centrale furono
evacuate e la vicina città di Pripyat, che
prima ospitava 50.000 persone, rimane
ancora oggi una città fantasma.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraConcorde Air France Volo 4590 Crash
(2000)
Il 25 luglio 2000, il Concorde AF4590
precipitò pochi istanti dopo il decollo
dall'aeroporto Charles de Gaulle vicino a
Parigi, uccidendo 113 persone. Durante il
decollo, uno dei pneumatici risultò essere
stato tagliato da un nastro metallico e detriti
presenti sulla pista. Uno pezzo del
pneumatico rotto colpì la parte inferiore
dell'ala provocando una catena di eventi che
si concluse con l'incidente. L'incidente ha
segnato la fine del l'aereo di linea
supersonico Concorde e alla fine fu ritirato 3
anni più tardi.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraSpace Shuttle Columbia disastro (2003)
Il 1 febbraio 2003, la Space Shuttle
Columbia si disintegrò durante il rientro
nell'atmosfera terrestre, uccidendo l'intero
equipaggio di 7 astronauti.
L'inchiesta ha dimostrato che durante il
lancio, un frammento di schiuma isolante si
staccò dalla navetta e colpì l'ala sinistra,
danneggiando le piastrelle che proteggono la
navetta dall'incredibile calore prodotto
durante il rientro.
Al rientro, queste piastrelle si ruppero,
causando la rapida catena di eventi che si è
conclusa con la disintegrazione della navetta
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraDeepwater Horizon Disaster (2010).
Il 20 aprile 2010 nel Golfo del Messico sulla
dopo l'esplosione e l'affondamento della
piattaforma petrolifera Deepwater Horizon, si
è avuta una perdita in mare di petrolio per 87
giorni, fino a quando il pozzo non è stato
chiuso il 15 luglio 2010.
Undici persone sono scomparsi. È
considerata la più grande fuoriuscita di
petrolio marino accidentale nella storia
dell'industria del petrolio (4,9 milioni di barili.
Rapporti del 2012 indicano ancora la
presenza di perdite in corrispondenza del
pozzo.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraDefinizione di Cedimento (Failure)
Merriam Webster Dictionary
• a) omission of occurrence or performance; specifically: a failing
to perform a duty or expected action
• b) a state of inability to perform a normal function
Mechanical Failure
• “Any change in size, shape or mechanical properties of a
structure, machine, or components that renders it incapable of
satisfactory performing its intended function” – J.A. Collins,
Failure of Materials in Mechanical Design, John Wiley&Sons,
1981
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraTipi di cedimento
• Tipo 1: Causato da negligenza • Tipo 2 – Causato dall’utilizzo di una
durante il progetto, la costruzione e/o nuova soluzione progettuale, impiego di
l’impiego operativo di una struttura. un nuovo materiale o tecnologia che
produce risultati inattesi ed indesiderabili.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraTipi di cedimento: tipo 1
• Tipo 1: Le linee guida esistenti linee e procedure sono sufficienti per evitare il cedimento,
ma non vengono seguite.
• errore umano
• comportamento doloso
• scarsa manodopera
• materiale inappropriato
• materiale scadente
• errore nell’analisi delle sollecitazioni
• errore di un operatore
• tutto quanto sopra
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraTipi di cedimento: tipo 2
• Tipo 2: Il cedimento è molto più difficile da
prevenire.
Introduzione di un nuovo design: risultati dovuti a
fattori imprevisti.
• Saldatura al posto di costruzione rivettata
• Pannelli integralmente lavorati invece dei
pannelli rivettati
Impiego di nuovi materiali: offrono vantaggi ma
anche potenziali problemi (sconosciuti).
• Es: compositi polimerici al posto delle leghe di
alluminio
• Titanio invece di acciaio ad alta resistenza
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraLa progettazione
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraFilosofie di progettazione
• FAIL-SAFE
• SAFE-LIFE
• DAMAGE TOLERANCE
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraProgettazione FAIL-SAFE
• Questo tipo di filosofia progettuale considera
gli effetti di cedimenti e combinazioni di
cedimenti per definire un «progetto sicuro».
• L'idea principale è prevedere come un
cedimento potrebbe causare un effetto
negativo sulla sicurezza del progetto.
• Il disegno fail –safe ha due significati diversi,
uno per strutture e un altro per i sistemi.
• Fail-safe per le strutture si riferisce alla
resistenza residua a seguito di un guasto
o cedimento parziale
• Fail -Safe per un sistema fa riferimento
alle implicazioni funzionali in caso di
guasto e le possibilità che si verifichi un
cedimento
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraProgettazione FAIL-SAFE
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraProgettazione SAFE-LIFE
• Questa filosofia di progettazione si riferisce al
periodo di funzionamento del componente o sistema
• Essa implica che un componente o sistema sia
progettata per non essere soggetta a cedimento
entro un determinato periodo di tempo
• Il desiderio di questa filosofia è di estendere il più
possibile il tempo di durata operativa del componente
o sistema
• Questa filosofia richiede un test e un'analisi per
stimare la vita operativa di un componente, ma a
causa della incapacità di prevederne la vita è
necessario introdurre robusti fattori di sicurezza per
garantire che in nessun modo si verifichi un guasto
catastrofico in grado di impedire il successo di
missione.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraProgettazione DAMAGE TOLERANCE
• Questa filosofia di progettazione si basa sul principio che
un componente molto importante debba poter resistere ad
un guasto causato da qualche danno preesistente senza
rischiare l’operatività degli altri componenti o sistemi e
finché il danno può essere riparato.
• Questa filosofia si concentra su due punti con il
presupposto che esiste già un difetto nella struttura.
• Il primo punto è la possibilità di stabilire il carico di
rottura per una dimensione specifica del difetto.
• Il secondo punto è quello di prevedere il periodo di
tempo per un nuovo difetto di crescere e raggiungere
la dimensione che può provocare una cedimento
catastrofico nella struttura.
• Molto importante è attuare un programma di
manutenzione che consente di rilevare tutti i danni prima
che possano ridurre la resistenza della struttura al di sotto
del limite accettabile.
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraI meccanismi responsabili della rottura nei materiali
• Modi di cedimento e meccanismi di rottura
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraI meccanismi responsabili della rottura nei materiali
1. Force and/or temperature f) Selective leaching 10. Impact
induced elastic deformation
g) Erosion a) Impact fracture
2. Yielding
h) Cavitation b) Impact
3. Brinneling deformation
i) Hydrogen damage
4. Ductile rupture c) Impact wear
j) Biological corrosion
5. Brittle fracture d) Impact fretting
k) Stress corrosion
6. Fatigue e) Impact fatigue
a) HCF 8. Wear
11. Creep
b) LCF a) Adhesive
12. Thermal relaxation
c) Thermal fatigue b) Abrasive
13. Thermal shock
d) Surface fatigue c) Corrosive
14. Stress rupture
e) Impact fatigue d) Surface fatigue
15. Galling and seizure
f) Corrosion fatigue e) Deformation
16. Spalling
g) Fretting fatigue f) Impact
17. Radiation damage
7. Corrosion g) Fretting
18. Buckling
a) Chemical attack 19. Stress corrosion
9. Fretting
b) Galvanic 20. Corrosion wear
a) Fretting fatigue
c) Crevice 21. Creep fatigue
b) Fretting wear
d) Pitting
c) Fretting corrosion
e) Intergranular
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.Bonora«Modi fondamentali» di rottura e meccanismi
• Fatica ad elevato numero di cicli (HCF)
• Rottura fragile (frattura)
• Rottura duttile sviluppo di deformazioni inelastiche a
differenti scale dimensionali
• Creep (rottura ad alta temperatura)
• Corrosione ed ossidazione
A.A. 2018/2019 Costruzione di Macchine - N.BonoraConclusioni
• I cedimenti catastrofici sono imputabili a cause
«umane» e cause legate all’«ignoranza» sull’effetto
delle sollecitazioni sulla resistenza ultima del
materiale
• Per poter sviluppare una progettazione avanzata è
necessario conoscere i processi responsabili dello
sviluppo di deformazioni inelastiche nel materiale
• Questo implica conoscere i meccanismi con cui si
sviluppano le deformazioni.
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